Zastosowanie źródeł energii odnawialnej do wspomagania zasilania budynków w energię elektryczną
Przykład hybrydowego systemu zasilania schroniska [1]
Jednym z priorytetowych zadań związanych ze wzrostem instalowania systemów z odnawialnymi źródłami energii jest racjonalne wykorzystanie energii pochodzącej z tych źródeł. W miarę stabilne i przewidywalne są systemy wykorzystujące biomasę, biogaz, geotermię, a nawet małe elektrownie wodne. Zdecydowanie trudniej jest zaprojektować efektywne systemy generacji rozproszonej na podstawie generatorów wiatrowych i systemów fotowoltaicznych.
Zobacz także
dr inż. Tomasz Bakoń Uszkodzenia turbin wiatrowych i bezinwazyjne metody ich wczesnego wykrywania
W artykule omówiono rodzaje uszkodzeń występujących w elektrowniach wiatrowych. Na podstawie najnowszych statystyk udokumentowanych awarii turbin wiatrowych wskazano najczęściej występujące przyczyny powstawania...
W artykule omówiono rodzaje uszkodzeń występujących w elektrowniach wiatrowych. Na podstawie najnowszych statystyk udokumentowanych awarii turbin wiatrowych wskazano najczęściej występujące przyczyny powstawania uszkodzeń. Artykuł zawiera również przegląd dostępnych obecnie bezinwazyjnych metod umożliwiających diagnostykę krytycznych elementów turbiny wiatrowej oraz przykłady ich implementacji.
ASTAT Sp. z o.o. Wykonywanie pomiarów w przemyśle i energetyce zawodowej analizatorami przenośnymi PQ-Box
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
ASTAT Sp. z o.o. Komunikacja zdalna ze stacjonarnymi analizatorami jakości energii PQI-DA Smart
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim...
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim przez dwa dokumenty. Pierwszy to norma PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych. Drugi to Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 22 marca 2023 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. 819).
StreszczenieRozwój odnawialnych źródeł energii (OZE) to jeden z podstawowych wymogów Unii Europejskiej (UE), który ma umożliwić osiągnięcie jednego z głównych celów Unii, jakim jest zrównoważony rozwój. Udział pozyskiwanej energii elektrycznej z elektrowni wiatrowych i elektrowni fotowoltaicznych jest coraz większy, jednak są to źródła nieprzewidywalne. Systemy te mogą być przyłączane zarówno do systemu elektroenergetycznego, jak i mogą pracować na sieć wydzieloną. Zaprojektowanie efektywnych systemów pracujących na sieć wydzieloną nie jest zagadnieniem prostym.AbstractApplication of renewable energy sources to supply of buildings in electricityThe development of renewable energy sources is one of the basic requirements of the European Union, which is to allow the achievement of one of the main objectives EU sustainable development. The share of electricity generated from wind farms and photovoltaic power plants is growing, however, are the source of unpredictable. These systems can be connected both to the electricity system and can work on a separate network. The design of effective systems working on the separate network is not a simple issue. |
Ze względu na wciąż znaczne koszty takich rozwiązań bardzo istotne jest, aby systemy te były tak zaprojektowane i wykonane, żeby ich efektywność była jak największa, a to wiąże się z odpowiednio dokładnie opracowanymi założeniami projektowymi.
Podstawowymi parametrami, jakie należy uwzględnić w takich systemach, są moc i energia oraz przebiegi generacji i obciążenia w węzłach sieci elektroenergetycznych. Jednym z podstawowych elementów, które pozwalają optymalnie wykorzystać energię elektryczną wytwarzaną w niestabilnych źródłach OZE, jest możliwość jej magazynowania i dystrybucji z wykorzystaniem odpowiednich systemów monitoringu i sterowania.
Generacja rozproszona
Główne zalety generacji rozproszonej dotyczące systemów wytwarzających energię elektryczną to: poprawa pewności zasilania, uniknięcie nadmiernej mocy zainstalowanej, zmniejszenie obciążenia szczytowego, zmniejszenie strat sieciowych oraz korzyści związane z siecią: odroczenie kosztów infrastruktury sieci rozdzielczej, poprawa jakości energii, zwiększenie niezawodności. Oczywiście w takich sytuacjach należy brać pod uwagę dodatkowe koszty związane m.in. z wykonaniem przyłącza, układów sterowania, pomiarami energii i jej bilansowaniem.
Jednym z podstawowych obecnie kierunków rozwoju generacji rozproszonej jest tworzenie Lokalnych Systemów Energetycznych (LSE), tzw. Smart Grid (rys. 1.).
LSE (microgrid) to lokalizacja grup wytwarzania energii elektrycznej, przechowywania energii oraz obciążeń, które normalnie działają w podłączeniu do tradycyjnego centralnego systemu energetycznego (macrogrid). LSE może funkcjonować autonomicznie.
Generacja i obciążenia w LSE są zwykle połączone do sieci niskich i średnich napięć. Z punktu widzenia operatora sieci, podłączony LSE może być kontrolowany tak, jak gdyby był to jeden podmiot.
Główne cechy tych systemów to zredukowane wymiary jednostek wytwarzania energii elektrycznej, sąsiedztwo generacji i obciążenia oraz bardzo często wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Badania tych lokalnych systemów zajmują się interakcją i kombinacją generacji mocy oraz zarządzaniem energią.
Jednym z podstawowych elementów LSE powinny być systemy magazynujące energię, co w znaczny sposób ułatwi zarządzanie takim systemem. Oczywistym jest, że należy odpowiedzieć na pytania: jaki sposób magazynowania energii wykorzystać i jak optymalnie go zaprojektować?
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej
W tej chwili istnieje kilka technologii magazynowania energii elektrycznej, niektóre z nich są już dobrze znane, inne zaś są jeszcze w fazie prób i zastosowań laboratoryjnych. Do najważniejszych zaliczyć można [3]:
- elektrownie szczytowo-pompowe,
- bateryjne zasobniki energii typu BES,
- koła zamachowe (zasobniki magazynujące energię kinetyczną),
- nadprzewodnikowe zasobniki energii (SMES),
- kondensatory mocy,
- sprężone powietrze (CASE).
Najważniejszymi parametrami decydującymi o możliwości wykorzystania poszczególnych technologii magazynowania są: nominalna moc technologii, zdolność magazynowania energii, czas rozładowywania w ramach jednego cyklu pracy oraz jednostkowy koszt inwestycyjny. Innymi parametrami decydującymi o możliwości wykorzystania mogą być również: sprawność, gabaryty zewnętrzne, czas życia oraz dostępność.
Elektrownie szczytowo-pompowe są w użyciu od 1929 roku i jest to najstarsza technologia magazynowania energii, która praktycznie do 1970 roku była jedyną komercyjnie dostępną metodą magazynowania energii elektrycznej. Konwencjonalne elektrownie szczytowo-pompowe składają się z dwóch dużych zbiorników wodnych, z których jeden znajduje się na poziomie elektrowni, a drugi może być umieszczony na różnej wysokości powyżej zbiornika pierwszego. Woda pompowana jest do zbiornika znajdującego się na wyższym poziomie, gdzie jest gromadzona jako energia potencjalna. Na żądanie, woda jest wypuszczana z powrotem do niższego zbiornika, przechodząc przez turbiny wodne w elektrowni, które generują energię elektryczną. Moce uzyskiwane z elektrowni szczytowo-pompowych dochodzą do 1000 MW. Główne bariery do stosowania tej technologii na większą skalę to wysoki koszt inwestycyjny oraz duże ograniczenia geograficzne, geologiczne i środowiskowe związane z budową zbiorników wodnych.
Bateryjne zasobniki energii to technologia magazynowania energii elektrycznej wykorzystująca baterie akumulatorów. Aktualnie na rynku jest duży wybór baterii dostępnych komercyjnie, a jeszcze więcej nowych technologii akumulatorów jest dopiero w fazie projektowania. W konwencjonalnej baterii ładowanie powoduje reakcje w elektrochemicznych mieszaninach, aby zgromadzić energię elektryczną w formie chemicznej. W razie potrzeby, odwrotne reakcje chemiczne powodują, że energia elektryczna oddawana jest z powrotem do sieci elektroenergetycznej. Pierwszą dostępną na rynku baterią była bateria ołowiowo-kwasowa i jest ona do tej pory najczęściej stosowana w różnego typu aplikacjach. Najnowszą wersją baterii ołowiowo-kwasowej jest bateria VRLA (z zaworem regulacyjnym), która jest baterią bezobsługową o dłuższym czasie życia i kompaktowej obudowie. W praktyce można spotkać również inne typy baterii akumulatorów, np. niklowo-kadmowe czy litowe.
Zainstalowane moce zasobników bateryjnych wahają się w szerokich granicach: od kilkudziesięciu kilowatów do modułowych zestawów sięgających kilka megawatów. Skutkiem tego jest możliwość stosowania baterii zarówno w obszarze generacji energii elektrycznej, przesyłu i dystrybucji, jak również u odbiorców indywidualnych.
Koła zamachowe to zupełnie nowa technologia magazynowania energii elektrycznej uzyskiwana poprzez jej zamianę w energię kinetyczną wirujących mas. Obecnie urządzenia takie budowane są jako egzemplarze prototypowe do zastosowań studyjnych i laboratoryjnych. Zasobnik energii tego typu zbudowany jest z koła zamachowego, które wiruje z bardzo dużą prędkością i połączonego z nim generatora elektrycznego, który działa jednocześnie jako silnik. Użycie łożysk magnetycznych oraz komory próżniowej pomaga w zredukowaniu strat mechanicznych. Właściwe połączenie geometrii i właściwości użytych materiałów wpływają na optymalną konstrukcję koła zamachowego. Prace nad wykorzystaniem takich urządzeń w energetyce skupiają się głównie na użyciu ich do poprawy jakości energii elektrycznej.
Nadprzewodnikowy zasobnik energii (SMES) to układ, który gromadzi energię elektryczną w polu magnetycznym wywołanym przez przepływ prądu elektrycznego w cewce z materiału nadprzewodzącego. Aby utrzymać cewkę w stanie nadprzewodnictwa, zanurzona jest ona w ciekłym helu zawartym w kriostacie z izolacją próżniową. Wyprowadzenie energii z nadprzewodnikowych zasobników energii jest dużo mniej zależne od tempa rozładowania niż jest to w przypadku baterii. SMES charakteryzują się dużą liczbą cykli życia, co powoduje, iż nadają się one do aplikacji o pracy zarówno okresowej, jak i ciągłej. Chociaż badania nad SMES były prowadzone na większych układach w zakresie od 10 do 100 MW, to ostatnio skupiono się na mniejszych systemach (od 1 do 10 MW), tzw. micro-SMES. Będą one dostępne na rynku jako urządzenia do poprawy jakości energii elektrycznej.
Kondensatory mocy jako zasobniki energii elektrycznej są najmłodszą technologią magazynowania energii z opisanych w artykule. Kondensator elektrochemiczny posiada zarówno elementy kondensatora, jak i baterii, w konsekwencji napięcie pojedynczego ogniwa jest ograniczone do kilku woltów. Ładowanie odbywa się za pośrednictwem jonów, tak jak ma to miejsce w baterii, lecz nie występują w nim żadne reakcje chemiczne (tak jak w konwencjonalnym kondensatorze). Kondensator elektrochemiczny składa się z dwóch przeciwnie ładowanych elektrod, separatora, elektrolitu i układu kontroli prądu. Obecnie bardzo małe superkondensatory o mocach 7–10 W są dostępne na rynku i znajdują częste zastosowanie głównie w urządzeniach gospodarstwa domowego do poprawy jakości energii elektrycznej.
Na rysunku 2. zaprezentowano rozkład typowych mocy i możliwości magazynowania energii elektrycznej dla wybranych technologii.
Badawczy System Fotowoltaiczny
Badawczy System Fotowoltaiczny zbudowany na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wrocławskiej umożliwia prowadzenie prac dotyczących wytwarzania energii elektrycznej z energii słonecznej.
System sfinansowany przez Fundusz Nauki i Technologii Polskiej w ramach grantu rozwojowego jest elementem długoplanowego projektu mającego przyczynić się do rozwoju grupy badawczej w dotychczas mało poznanej tematyce współpracy urządzeń energetyki odnawialnej z systemem elektroenergetycznym. Niewątpliwie, w dalszej perspektywie czasowej, takie źródła energii będą stosowane w coraz większym zakresie. Szerokie i wielokierunkowe badania rzeczywistych obiektów mają podstawowe znaczenie dla zapewnienia w przyszłości czystej ekologicznie i taniej energii o wysokich parametrach jakościowych.
Zainstalowany system solarny o mocy 15 kW, połączony bezpośrednio z systemem elektroenergetycznym, pozwala badać wzajemne oddziaływania, ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień jakości energii.
Równolegle są prowadzone długofalowe badania wydajności, zmian parametrów, wpływu środowiska i zanieczyszczeń na wydajność systemu.
Możliwości badawcze systemu obejmują pomiar, gromadzenie danych pomiarowych oraz ich analizę. Analiza oparta jest na systemie cyfrowego przetwarzania danych oraz inteligentnych systemów licznikowych. Wyniki prowadzonych badań są przetwarzane online oraz udostępniane poprzez sieć komputerową. Na rysunku 3. przedstawiono schemat systemu [5]. Otwartość systemów monitorowania pozwala na implementację własnych algorytmów obliczeniowych oraz transmisji danych.
Budowa systemu
Zainstalowano moduły fotowoltaiczne trzech różnych typów: monokrystaliczne, polikrystaliczne i cienkowarstwowe, co pozwala na badania porównawcze uwzględniające własności poszczególnych technologii. Każdy z typów modułów o mocy 5 kW jest włączony poprzez osobny inwerter do sieci elektrycznej niskiego napięcia. Posiadają one również niezależny pomiar nasłonecznienia i warunków temperaturowych. Umożliwia to analizy porównawcze zarówno pod względem parametrów elektrycznych, jak i środowiskowych.
Monitoring systemu
Rozbudowany system monitorowania można podzielić na 3 grupy. Monitorowanie standardowe producenta inwerterów, które umożliwia rejestrację z 30-sekundowym czasem uśredniania temperatury paneli i otoczenia, prędkości wiatru oraz mocy promieniowania słonecznego, a także elektrycznej mocy wyjściowej, napięć i prądów dc oraz napięć i prądów ac. Dane rejestrowane są automatycznie, przesyłane do bazy danych oraz prezentowane na specjalistycznej stronie internetowej (rys. 4.).
Systemy fotowoltaiczne pracujące na sieć wydzieloną
Systemy fotowoltaiczne to jedna z prężniej rozwijających się obecnie technologii, które mają umożliwić wykorzystanie energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej. Wiele praktycznych realizacji jest już w wielu krajach europejskich, m.in. w Niemczech, Czechach, Hiszpanii. Polska ma podobne nasłonecznienie jak nasi sąsiedzi zza południowej czy zachodniej granicy. Wydaje się zatem, że podobne systemy mogą być z powodzeniem instalowane również w naszym kraju.
Systemy fotowoltaiczne mogą być przyłączane zarówno do systemu elektroenergetycznego, jak i pracować na sieć wydzieloną. W pierwszym przypadku nie ma potrzeby magazynowania energii elektrycznej, ponieważ cała energia elektryczna wytworzona przez system fotowoltaiczny wprowadzana jest do sieci elektroenergetycznej danego systemu elektroenergetycznego. W tym przypadku za prawidłową pracę systemu elektroenergetycznego odpowiada operator systemu dystrybucyjnego (OSD) i w przypadku skoncentrowania dużych mocy w systemach fotowoltaicznych niestabilność produkcji energii elektrycznej w zależności od warunków atmosferycznych może przysporzyć operatorowi znacznych problemów.
Z innymi problemami mamy do czynienia w przypadku systemów fotowoltaicznych pracujących na sieć wydzieloną. Aby optymalnie wykorzystać dany system fotowoltaiczny, należy odpowiednio zaprojektować układy magazynowania energii, które są niezbędnym elementem takich systemów.
Projektując system fotowoltaiczny musimy w pierwszej kolejności określić parametry ogólnie rozumianego odbiorcy, który ma być zasilany z danego systemu. Głównymi parametrami są: rodzaj napięcia, jakim ma być zasilany odbiorca (napięcie stałe czy przemienne) oraz krzywa obciążenia.
Na rysunku 5. pokazano strukturę przykładowego autonomicznego systemu fotowoltaicznego do zasilania odbiorników zasilanych napięciem stałym, a na rysunku 6. strukturę przykładowego autonomicznego systemu fotowoltaicznego do zasilania odbiorników zasilanych napięciem przemiennym.
W systemach wymagających do zasilania napięcia przemiennego koniecznym elementem jest inwerter dc/ac.
Ze względu na wciąż duże koszty poszczególnych elementów systemów fotowoltaicznych niezbędny jest ich właściwy dobór, tak aby efektywność takiego systemu była jak największa.
Głównym elementem, który umożliwia efektywne zarządzanie energią elektryczną w takich systemach, jest zasobnik energii. W systemach fotowoltaicznych najczęściej stosowane są różnego typu akumulatory, których zarówno parametry, jak i ceny są bardzo różne. Podstawowymi parametrami akumulatorów, na które należy w takich systemach zwracać szczególną uwagę, są: liczba cykli ładowania i rozładowania, odporność na temperaturę (szczególnie przy instalacjach zewnętrznych), możliwość szybkiego ładowania oraz odporność na głębokie rozładowanie.
Przykładowy system fotowoltaiczny pracujący na sieć wydzieloną
Systemy fotowoltaiczne, wciąż jeszcze są drogie i trudno mówić o ich efektywności. Jednak nawet obecnie można znaleźć takie sytuacje, kiedy bezpieczeństwo lub inne względy mogą zdecydować o ich zainstalowaniu.
Jednym z przykładów jest system fotowoltaiczny pracujący na sieć wydzieloną zainstalowany w schronisku turystycznym (fot. 1.), które położone jest daleko od sieci rozdzielczej systemu elektroenergetycznego. W podanym przykładzie wymagane jest zasilanie napięciem przemiennym 230 V. W tym przypadku zrealizowano układ hybrydowy: system fotowoltaiczny (1140 W), turbina wiatrowa (2 kW) oraz agregat prądotwórczy. Jako zasobnik energii zaprojektowano bank akumulatorów żelowych o pojemności 800 Ah.
W każdym przypadku istotne jest takie zaprojektowanie systemu zasilającego, aby uzyskać maksymalny efekt ekonomiczny przy zapewnionych parametrach jakościowych energii elektrycznej.
Zaprezentowany przykład realizacji systemu hybrydowego pracującego na sieć wydzieloną dobrze obrazują problemy, jakie występują w przypadku ich projektowania.
Wnioski
Zgodnie z wymaganiami stawianymi przez Unię Europejską, w najbliższych latach będziemy świadkami wzrostu udziału produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Może się okazać, że nawet kilkuprocentowy udział OZE w produkcji energii elektrycznej spowoduje problemy z bilansowaniem energii w sieciach lokalnych albo nawet w całym systemie elektroenergetycznym. Rozwiązaniem tych problemów może być magazynowanie energii, nawet jeżeli na obecną chwilę są to rozwiązania kosztowne. Nie można bowiem dopuścić, aby wyżej wymienione problemy pozostały bez odpowiedzi, inaczej możemy oczekiwać spadku jakości energii i niebezpiecznych wahań napięcia. Mogą one przekroczyć wartości dopuszczalne, powodując efekty migotania lub nawet zniszczenie urządzeń.
Biorąc pod uwagę, że zarówno jakość energii, jak i konieczność rozwoju odnawialnych źródeł energii są celami strategicznymi w zrównoważonym rozwoju UE, należy szukać rozwiązań, które umożliwią bezpieczną realizację tych celów.
Literatura
- K. Herlender, M. Zielony, Efektywne wykorzystanie odnawialnych źródeł energii pracujących na sieć wydzieloną, „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa”, nr 8/2011.
- G. Platt, „Local Energy Systems, An Intelligent Demand Side”.
- K. Herlender, Sposoby magazynowania energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym, „Klient, Dystrybucja, Przesył”, nr 5/2004.
- P.D. Lund, J.V. Paatero, Energy Storage Options for Improving Wind Power Quality. Nordic Wind Power Conference, 22–23 May, Espoo, Finland, 2006.
- Dokumentacja powykonawcza – Badawczy System Fotowoltaiczny” Skorut Sp. z o.o., Wrocław 2011.
- K. Herlender, J. Rezmer, Badawczy System Fotowoltaiczny, Materiały Konferencyjne VII Lubuskiej Konferencji Naukowo-Technicznej i-MITEL 2012.